Кіріспе

Сұйық натриймен салқындатылатын ядролық реактордың түрі. Натриймен салқындатылатын жылдам реактор – сұйық натриймен салқындатылатын жылдам нейтронды реактор. SFR аббревиатурасы ерекше екі IV буын реактор ұсынысын білдіреді: бірі – аралас оксид отынын (MOX) пайдаланатын, қолданыстағы сұйық металлмен салқындатылатын реактор (LMFR) технологиясына негізделген, екіншісі – металл отынмен жабдықталған интегралды жылдам реакторға негізделген. Бірнеше натриймен салқындатылатын жылдам реакторлар салынды және олардың кейбіреулері қазіргі уақытта, әсіресе Ресейде жұмыс істеп тұр. Тағы басқалары жоспарланып жатыр немесе құрылыс кезеңінде. Мысалы, 2022 жылы АҚШ-та TerraPower (өзінің Traveling Wave технологиясын қолдана отырып) Вайоминг штатындағы Кеммерер қаласында балқытылған тұз энергиясын сақтаумен бірге өз реакторларын салуды жоспарлап отыр. Ресейдегі тәжірибеден басқа, Жапония, Үндістан, Қытай, Франция және АҚШ бұл технологияға инвестиция салып жатыр.

Отын циклі

Ядролық отын циклы екі негізгі нұсқамен толық актинидтерді қайта өңдеуді пайдаланады: Бірі – реактормен біріктірілген нысандардағы пирометаллургиялық қайта өңдеуге негізделген отын циклымен қамтамасыз етілген, уран-плутоний және минор актинидтер қорытпасынан жасалған цирконий металл отыны бар орташа өлшемді (150–600 МВт) натриймен салқындатылатын реактор. Екіншісі – бірнеше реакторға орталықтан қызмет көрсететін, озық сулы өңдеуге негізделген отын циклымен қамтамасыз етілген, аралас уран-плутоний оксиді отыны бар орташа және ірі (500–1500 МВт) натриймен салқындатылатын реактор. Екеуі үшін де шығыс температурасы шамамен 510–550 градус C құрайды.

Натрийлік салқындатқыш

Сұйық металл натрийді ядродан жылуды шығару үшін қолдануға болады. Натрийдің тек бір тұрақты изотопы бар, ол – 23 натрий, және ол нейтронды нашар сіңіреді. Ол нейтронды сіңірген кезде 24 натрий түзеді, оның жартылай ыдырау периоды 15 сағатты құрайды және ол тұрақты 24 магний изотопына ыдырайды.

Топ немесе бұранда түрі

Натриймен салқындатылатын реакторлардың екі негізгі жобалау тәсілі бар: бассейндік және контурлық типтер. Бассейндік типтегі реакторлардағы бірінші деңгейдегі салқындатқыш негізгі реактор ыдысында орналасады, ол реакторлық ядроны және жылу алмастырғышты қамтиды. АҚШ-тың EBR-2, француздық Phénix және басқалары осы тәсілді қолданды, сондай-ақ Үндістанның прототиптік жылдам көбейгіш реакторы мен Қытайдың CFR-600 реакторлары да осы тәсілді пайдаланады. Контурлық типте жылу алмастырғыштар реакторлық бактан тыс орналасады. Француздық Rapsodie, британдық Prototype Fast Reactor және басқалары осы тәсілді қолданды.

Артықшылықтар

Барлық жылдам реакторлардың қазіргі су реакторларына қарағанда бірнеше артықшылықтары бар, себебі радиоактивті қалдықтардың көлемі айтарлықтай төмендейді. Ең бастысы, реактор жылдам нейтрондармен жұмыс істегенде, плутоний изотоптары нейтронды сіңірген кезде ыдырауға бейімділігі артады. Осылайша, жылдам нейтрондардың уран мен плутониймен әрекеттесіп, тұтқындалу ықтималдығы төмен, бірақ тұтқындалған жағдайда, ыдырауға себеп болу мүмкіндігі жоғары. Бұл жылдам реакторлардан трансурандық қалдықтардың пайда болмайтынын білдіреді. Сұйық металл салқындатқыштардың, мысалы, сұйық натрийдің басты артықшылығы – металл атомдарының нейтронды баяулату қабілетінің төмендігі. Су, сутегі атомдарының металл атомдарынан жеңіл болуына байланысты, күштірек нейтронды баяулатушы болып табылады, сондықтан нейтрондар сутегі атомдарымен соқтығысқанда көбірек энергия жоғалтады. Бұл суды жылдам реактор үшін салқындатқыш ретінде қолдануды қиындатады, себебі су жылдам нейтрондарды жылулық нейтрондарға баяулатады (бірақ баяулатуды азайтуға бағытталған реакторлар концепциялары бар). Сұйық натрий салқындатқышының тағы бір артықшылығы – натрийдің 371K (98°C) температурада балқып, 1156K (883°C) температурада қайнап немесе буға айналуы, яғни қатты/мұздай және газ/бу күйлері арасындағы айырмашылық 785K (785°C) құрайды. Ал салыстыра берсек, судың сұйық күйдегі температура диапазоны (мұз бен бу арасында) қалыпты теңіз деңгейіндегі атмосфералық қысымда бар болғаны 100K-қа тең. Натрийдің суға қарағанда төмен жылу сыйымдылығына қарамастан, бұл сұйық фазада маңызды мөлшерде жылуды сіңіруге және қауіпсіздік маржасын сақтауға мүмкіндік береді. Сонымен қатар, натрийдің жоғары жылу өткізгіштігі жылу сыйымдылығының резервуарын құрады, ол қызып кетуге қарсы жылу инерциясын қамтамасыз етеді. Натрийдің қайнау температурасы реактордың жұмыс температурасынан әлдеқайда жоғары болғандықтан, оны қысымға түсірудің қажеті жоқ, сондай-ақ натрий болат реактор детальдарын коррозиядан қорғайды және металдарды коррозиядан сақтайды. Электр тогын өткізетін балқытылған натрийды электромагниттік сорғылармен жылжытуға болады.

Жобалау мақсаттары

Жұмыс температурасы отынның балқу температурасынан аспауы тиіс. Отын мен қаптаманың химиялық өзара әрекеттесуі (FCCI) ескерілуі керек. FCCI – отын мен қаптама арасындағы эвтектикалық балқу; уран, плутоний және лантан (бөліну өнімі) қаптаманың темірімен бір-біріне араласады. Соның нәтижесінде түзілген қорытпаның эвтектикалық балқу температурасы төмен болады. FCCI қаптаманың беріктігін азайтуға және тіпті жарылуына әкелуі мүмкін. Трансураникалық элементтердің өзгеруі ураннан плутоний өндірілуімен шектеледі. Бір шешім – инертті матрицаны пайдалану, мысалы, магний оксиді. Магний оксидінің нейтрондармен (термиялық және жылдам) өзара әрекеттесу ықтималдығы, темір сияқты элементтерге қарағанда әлдеқайда төмен. Жоғары деңгейлі радиоактивті қалдықтарды, әсіресе плутонийді және басқа актинидтерді басқару қажет. Қауіпсіздік шараларына ұзақ жылулық реакция уақыты, салқындатқыштың қайнау температурасына үлкен қашықтық, атмосфералық қысымға жақын жұмыс істейтін негізгі салқындату жүйесі және радиоактивті натрий (негізгі жүйеде) мен су мен бу (электростансада) арасындағы аралық натрий жүйесі кіреді. Инновациялар, мысалы, модульдік конструкция, негізгі контурды алып тастау, сорғыны және аралық жылу алмастырғышты біріктіру, сондай-ақ жақсырақ материалдар капиталдық шығындарды төмендетуге мүмкіндік береді. SFR-дің жылдам спектрі қолданыстағы бөлінетін және тыңайтын материалдарды (кемітілген уранды қоса алғанда) бір реттік отын айналымы бар жылулық спектрлі реакторларға қарағанда әлдеқайда тиімді пайдалануға мүмкіндік береді.

Тарих

2020 жылы Natrium компаниясы АҚШ Энергетика министрлігінен өзінің SFR-ін дамыту үшін 80 миллион долларлық грант алды. Бағдарламада 5-20% ураннан тұратын жоғары сынамалы, аз байытылған уран отынын пайдалану жоспарлануда. Реактордың жер астына орналастырылып, гравитациялық түрде енгізілетін басқару таяқшаларымен жабдырылуы күтілді. Атмосфералық қысымда жұмыс істейтіндіктен, үлкен қорғаныш қабырғасы қажет емес. Үлкен жылу сақтау сыйымдылығының арқасында, реактор үздіксіз 345 МВт қуатты өндірумен қатар, 5 сағаттан астам уақыт бойы 500 МВт қуатты қысқа мерзімдік жоғарылатуға қабілетті болады деп күтілуде.